автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.01, диссертация на тему:Численное моделирование процессов деформирования корпусных конструкций при столкновении судов

На правах рукописи

/

Васильев Роман Викторович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ СУДОВ

Специальность: 05.08.01. Теория корабля и строительная механика

5 ДЕК 2013

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2013

005542932

005542932

Работа выполнена на кафедре строительной механики корабля ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

(СПбГМТУ)

Научный руководитель:

Родионов Александр Александрович, доктор технических наук, профессор, профессор СПбГМТУ

Официальные оппоненты:

Дульнев Андрей Иванович, доктор технических наук, начальник лаборатории ФГУП «Крыловский государственный научный центр»

Бененсон Анатолий Михайлович, кандидат технических наук, доцент, старший научный сотрудник ОАО «Инженерный центр судостроения»

Ведущая организация: ФАУ «Российский морской регистр судоходства», г. Санкт-Петербург.

Защита диссертации состоится «20» декабря 2013 г. на заседании диссертационного совета Д_212.228.01 при Санкт-Петербургском государственном морском техническом университете по адресу: 190008, Санкт-Петербург, Лоцманская ул., д. 3, А-313. Начало в 16 часов.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского государственного морского технического университета.

Автореферат разослан « / 3 » -/V 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, д.т.н., профессор

А.И. Гайкович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность.

Морские перевозки остаются одним из наиболее популярных в мире видов транспортировки грузов, ввиду своей сравнительно невысокой стоимости и возможности перевозить большие объемы. Для судов, перевозящих опасные грузы, существуют специальные требования к конструкции корпуса. Согласно Европейскому соглашению о международной перевозке опасных грузов по внутренним водным путям (ВОПОГ), судно, перевозящее большинство видов токсичных грузов, должно быть построено как судно с двойным корпусом, иметь межбортовое пространство и двойное дно. Все эти меры направлены на недопущение нарушения герметичности грузового танка при возможных аварийных ситуациях, последствия от которых могут быть катастрофическими. Одним из наиболее опасных видов аварийной ситуации является столкновение с таранящим судном, которое может произойти в результате навигационных ошибок. К сожалению, из-за наличия так называемого «человеческого фактора» такие столкновения происходят регулярно, поэтому особую роль получает развитие расчетных методов проектирования наиболее эффективных конструкций с точки зрения ударопрочное™.

В процессе столкновения судов за короткий промежуток времени кинетическая энергия ударяющего судна преобразуется, главным образом, в энергию пластических деформаций повреждаемых конструкций. Процесс деформирования сопровождается большими значениями прогибов и проходит в условиях глубокого пластического деформирования материала с эффектами нелинейной потери устойчивости. Эти и другие особенности значительно усложняют расчетное прогнозирование повреждений и оценку аварийной прочности конструкции. Используемые традиционные аналитические методы, основанные на опыте эксплуатации и натурных испытаниях конкретных типов конструкций, имеют ограниченную область применения.

В разное время многие исследователи по всему миру занимались проблемами аварийной прочности судов при столкновениях: В. Минорский, Ю. Акита, К.А. Реклинг, Ф. Спинелли, Г. Войсин, Л. Чеанг, П. Ембрисон, О. Китамура, Дж.В. Ли, Дж.К. Пайк, П.Т. Педерсен, Б.С. Симосен, Т. Виербсцки и др. Большой вклад в изучение сложных процессов определения ударной прочности судовых конструкций внесли отечественные ученые: H.H. Волков и С.Б. Кадацкий, Ю.Ф. Лепп, М.В. Филиппео, А.Б. Нестеров, Е.М. Апполонов, Е.П. Бураковский, С.Н. Гирин и др.

В последнее время активно используются модели метода конечных элементов для решения самых разных задач. Благодаря своей универсальности численное моделирование позволяет в явном виде учесть максимальное количество факторов, влияющих на конечный результат, и спрогнозировать весь процесс динамического взаимодействия вплоть до разрушения самых разных конструкций.

Применение метода конечных элементов к решению проблем аварийной прочности судов при столкновениях существенно снижает количество

3

допущений в расчетных моделях. Однако в настоящее время многие проблемы численного моделирования процессов ударного взаимодействия судов при столкновениях остаются нерешенными.

Цель диссертационной работы.

Целью настоящей работы является исследование процессов деформирования корпусных конструкций при столкновении судов с помощью современных математических моделей, позволяющих с высокой степенью точности спрогнозировать параметры аварийной прочности. Достижение поставленной цели требует решения следующих задач:

построить численные модели поведения конструкций на основе метода конечных элементов;

провести оценку достоверности расчетных моделей по результатам физического эксперимента;

выполнить анализ области применения некоторых аналитических моделей для задач столкновения судов;

исследовать параметры ударной прочности некоторых традиционных и перспективных типов судовых конструкций с использованием предлагаемых расчетных моделей;

оценить расширение возможностей численного моделирования процесса столкновения судов за счет учета внешней среды.

Методы исследований.

Для решения задач, поставленных в диссертационной работе, использовались следующие методы:

теория упругости, теория пластичности и механика разрушения для решения задач упругопластического и глубокого пластического деформирования и разрушения конструкций при столкновении;

вычислительная механика и метод конечных элементов как основной аппарат математического моделирования динамических процессов, сопровождающих столкновения судов.

Научная новизна и основные научные результаты, выносимые на защиту.

Разработаны расчетные модели определения параметров ударопрочности при столкновении вплоть до полного разрушения конструкции.

Проведена оценка области применения существующих аналитических моделей определения параметров ударопрочности конструкций при столкновении судов.

Расширены возможности численного моделирования столкновения судов с учетом параметров внешней динамики таранящего судна путем прямого моделирования поведения внешней среды и ее взаимодействия с конструкцией корпуса на всех этапах столкновения.

Практическая значимость работы.

Сформулированы основные положения методики проведения численного моделирования процесса столкновения судов, позволяющие с высокой степенью точности определять параметры ударопрочности конструкций при столкновении судов с учетом разрушения.

Предложены меры повышения сходимости численного моделирования процесса столкновения судов.

Проведен качественный и количественный сравнительный анализ традиционных и перспективных конструкций грузовых отсеков нефтеналивных судов с точки зрения ударопрочности при столкновении с различными таранящими объектами.

Получена оценка влияния учета внешней среды на результаты численного моделирования столкновения между судами.

Достоверность полученных результатов.

Достоверность результатов, полученных с помощью разработанных расчетных моделей, подтверждается обоснованностью используемых допущений, а также сравнением с экспериментальными результатами, полученными на базе Волжской Государственной Академии Водного Транспорта в процессе нагружения модели грузового отсека со стороны борта клинообразным телом, имитирующим форштевень таранящего судна.

Апробация работы.

Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих научно-технических конференциях: 1) восьмая общероссийская конференция по морским интеллектуальным технологиям «МОРИНТЕХ-2011», СПб.: СПбГМТУ, сентябрь 2011г.; 2) XXIV Международная конференция Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций / Методы граничных и конечных элементов, BEM&FEM 2011, СПб.: СПбГАСУ, сентябрь 2011г.; 3) конференция по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского, СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, декабрь 2011 г; 4) научно-техническая конференция по строительной механике корабля, посвященная памяти проф. П.Ф. Папковича, СПб.: ЦНИИ им. акад. А.Н.Крылова, декабрь 2012г.; 5) научно-практическая конференция, посвященная 150-летию со дня рождения академика А.Н. Крылова, СПб.: СПбГМТУ, сентябрь 2013 г.; 6) XXV Международная конференция Математическое моделирование в механике деформируемых тел и конструкций / Методы граничных и конечных элементов, BEM&FEM 2013, СПб.: СПбГАСУ, сентябрь 2013 г. Результаты работы вошли в отчет о научно-исследовательской работе в рамках федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы. Государственный контракт от «01» декабря 2010 г. № 14.740.11.0842, шифр «2010-1.1-400-150-124».

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 8 работ. Из них 3 статьи и 5 тезисов докладов. Все работы выполнены в соавторстве (авторская доля от 30 до 50%). В ведущих лицензируемых научных журналах и изданиях опубликовано 2 статьи.

Структура и объем диссертации.

Диссертация содержит титульный лист, оглавление, введение, шесть глав основного текста, заключение, список литературы; изложена на 210 страницах машинописного текста, содержит 99 рисунков, 11 таблиц, список литературы из 121 наименования литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность диссертационной работы, определяется ее основная цель, приводится краткая аннотация содержания работы по главам.

Первая глава содержит обзор работ, которые посвящены исследованию различных аспектов проблемы расчетного прогнозирования процессов, происходящих при аварийном столкновении судов, и определению основных параметров ударопрочности элементов судовых конструкций. Рассмотрены работы авторов, оказавших значительное влияние на совершенствование аналитических и численных процедур вычисления параметров энергоемкости конструкции при аварийных ситуациях. Проблемы, связанные с расчетами столкновения судов, принято разделять на два основных аспекта: внешнюю механику взаимодействия сталкивающихся судов и внутреннюю механику деформируемых и разрушаемых конструкций, которые традиционно рассматриваются раздельно.

Последний раздел главы содержит постановку задачи исследования.

Во второй главе рассматриваются теоретические основы моделей метода конечных элементов, которые применяются в настоящей работе для моделирования различных аспектов процесса столкновения.

Традиционные формулировки метода конечных элементов, используемые в механике деформируемого твердого тела, не позволяют получить решение задачи о деформировании и разрушении судовых конструкций при столкновениях судов. Существенное расширение возможностей численных процедур достигается с использованием, наряду с Лагранжевой схемой описания и решения основных дифференциальных уравнений, еще и Эйлеровой схемы или комбинированной Лагрежево-Эйлеровой схемы. В Лагранжевом подходе сетка конечных элементов перемещается непосредственно с материалом. Материал не пересекает границы элемента, и, таким образом, масса материала в пределах каждого Лагранжевого элемента никогда не изменяется. В формулировке Эйлера сетка является логическим вычислительным пространством, и материалы могут деформироваться или течь через это пространство, перемещаясь от элемента к элементу. В комбинированной схеме сетка перемещается некоторым предписанным образом в процессе решения. Преимущество комбинированной Лагрежево-Эйлеровой схемы состоит в том, что движение сетки может быть отрегулировано так, чтобы примерно следовать за текучим (или жидким материалом), таким образом, меньшее количество элементов необходимо по сравнению с подходом Эйлера.

Существенное повышение быстродействия вычислительных процедур реализовано в результате применения явной схемы решения уравнений движения по схеме центральных разностей, когда ускорение полагается постоянным в пределах шага. Для трех последовательных моментов времени принимается квадратичная аппроксимация вектора перемещений. В этой схеме используются рекуррентные соотношения, которые выражают перемещения, скорости и ускорения на данном шаге через их значения на предшествующих шагах. 6

Обязательным условием корректного решения задачи о деформировании и разрушении конструкций в процессе столкновения является учет свойств материалов в динамических процессах деформирования и накопление поврежденности при пластических деформациях, выбор моделей контактного взаимодействия и трения элементов конструкции между собой.

В последней части главы описывается построенная общая модель численного решения, объединяющая в себе внутреннюю и внешнюю механики сталкивающихся судов. В процессе ее построения дополнительно решены задачи моделирования поведения внешней водной и воздушной сред, а также контактного взаимодействия конструкции с внешней средой в моделях метода конечных элементов.

В третьей главе формулируются основные положения методики проведения численного моделирования процесса столкновения судов с помощью метода конечных элементов. Разработанные положения касаются особенностей построения конечно-элементной модели, назначения критериев разрушения и мер, направленных на снижение вычислительных затрат.

Даются рекомендации по выбору типа и размера конечного элемента. Особое внимание уделено «опасным» зонам, в которых ожидается разрушение. Процесс разрушения в моделях реализуется последовательным удалением из расчета конечных элементов по соответствующему критерию, поэтому удаление конечного элемента большой массы сопровождается значительной погрешностью процесса энергопоглощения. Выполненный анализ показал, что для'получения достоверных результатов необходимо, чтобы на один удаляемый элемент приходилось от 0,5 до 1,5 граммов металлоконструкции.

Описываются различные критерии разрушения, рекомендованные для использования в рассматриваемых задачах. Так, например, в районе контакта конструкции корпуса с таранящим форштевнем, имеющим острый угол раствора, предлагается использовать критерий утонения обшивки, хорошо зарекомендовавший себя в численном моделировании технологических процессов обработки металла давлением.

Сравнительно невысокие скорости взаимодействия при достаточно мелкой сетке и высокой сложности описываемых процессов могут привести к тому, что полученная задача оказывается слишком громоздка для имеющихся компьютерных ресурсов. В работе даны рекомендации по решению этих проблем: так, для увеличения шага интегрирования явной формулировки используется процедура масштабирования массы и даются рекомендации по ее применению без ущерба для точности полученного решения.

Значительная часть главы посвящена оценке точности сформулированных рекомендаций с помощью результатов физического эксперимента. Эти данные любезно предоставлены зав. кафедрой сопротивления материалов, конструкции корпуса и строительной механики корабля Волжской Государственной Академии Водного Транспорта, доц. С.Н. Гириным.

Полномасштабный эксперимент представлял собой воздействие клинообразного тела, имитирующего форштевень на конструкцию отсека. По его

результатам была получена зависимость усилия со стороны клина от глубины проникания его в конструкцию.

Рис. 1 - а) Деформирование палубного настила, наблюдаемого в эксперименте; б) деформирование палубного настила, полученное в ходе численного решения

Палуоная складка в пределах одной рамной шпации

ЭТАП 1

Палгоная складка е пределах трех рамных шпаций

ЭТАП 2

Вид на \-зел соединения шпангелта с бимсом

Рис. 2 - Основные этапы разрушения конструкции

Формы деформирования и характер разрушения, полученные в расчетах и эксперименте, совпадали. Разрушение начинает происходить в рамных

шпангоутах и бимсах, этому предшествует потеря устойчивости рамных связей. В ходе разрушения происходит отрыв стенки бимса от палубного настила.

В начальной стадии разрушения таранимой конструкции в палубном перекрытии возникает складка в пределах одной шпации (см. рис. 1 и 2). Затем зона деформирования палубы и борта распространяется на три рамные шпации. Из-за недостаточной жесткости продольных ребер они не способствовали формированию новых складок. Следующая складка в палубе образовалась в районе разрушенного бимса над вырезом под продольным ребром жесткости.

Сопоставление расчетных и экспериментальных зависимостей реактивного усилия и поглощенной энергии конструкции от глубины проникания клина представлены на рисунке 3 и 4 соответственно. Их различие по усилию в среднем составляет 15,5%, а по энергии - 17,4%.

Таким образом, можно утверждать, что было получено достаточно хорошее согласование с экспериментом как по характеру поведения конструкции с учетом разрушения, так и по интегральным характеристикам ударопрочности.

8,0 10.0 12.0 14.0 Глубина проникания (см)

Рис. 3 - Зависимость реактивного усилия конструкции от глубины проникания клина

4 500 ■

4 ООО . 3 500

§ 2 000 3 1500

1

-ЭКСПЕРИМЕНТ МКЭ

___- • •

0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 20.0 Глубина проникания (см)

Рис. 4 - Зависимость внутренней энергии конструкции от глубины проникания клина

А 500 4 000

Е 4500

"¿с

г 500 = .»ООО ® I 500

3 ню»

500

.....

МКЭ -Мсаедь гибких кигей Модель гибш.4 нитей (без ун-та разрушен*») Инженерезх модель

Ж--'

............ .. —.......

6.0 8,0 10.0 12.« 14.0

Глубияя прпинкаиня (см)

Рис. 5 - Зависимость внутренней энергии ог проникания клина

С помощью аналитических методов была решена задача, реализованная в ходе эксперимента, описанного в главе 3. При анализе данной задачи по методу, основанному на физической модели гибкой нити, решение было получено в двух постановках: с учетом разрушения и без учета разрушения нитей. На рисунке 5 представлен график зависимости внутренней энергии, полученный по аналитическим моделям и по расчетным моделям МКЭ.

В целом, можно отметить, что аналитические модели достаточно консервативны, они опираются на формы деформирования и разрушения судовых перекрытий традиционного типа, многократно проверенные продолжительным опытом эксплуатации и многочисленными экспериментами. По этой причине они не обладают универсальностью и не могут применяться к-конструкциям иных типов, которые внедряются в судостроении.

Модели МКЭ в значительной мере лишены этих недостатков и позволяют с большей точностью проводить численный эксперимент и выявить особенности деформирования различных типов конструкций.

Пятая глава посвящена расчетным исследованиям по разработанным моделям ударопрочности разнообразных судовых конструкций, от изолированных элементов до отсеков реальных нефтеналивных судов.

Рассматривались классические перекрытия с продольной и поперечной системами набора при трех вариантах положения таранящего клина: 1) ударяющая кромка клина параллельна плоскости настила вертикально установленного перекрытия, что соответствует удару вертикального форштевня в бортовое перекрытие; 2) ударяющая кромка клина в начальный момент контакта наклонена к плоскости настила вертикально установленного перекрытия под углом 30°, что соответствует удару наклонного форштевня в бортовое перекрытие; 3) ударяющая кромка клина в начальный момент контакта наклонена к плоскости настила горизонтально установленного перекрытия под углом 60°, что соответствует удару наклонного форштевня в палубное перекрытие. В результате установлено, что удар по варианту 1 демонстрирует наибольшую энергоемкость, которая почти в два раза превышает значения для вариантов 2 и 3.

каждой рамной шпации, а у танкеров пр. 12990/2 и пр. 12990/3 рамный шпангоут в отсеке только один - посередине длины отсека.

Сопоставительная оценка ударной прочности конструкций судов проектов 12990, 12990/2 и 12990/3 выполнялась по сценарию удара жесткого таранящего бульбового носа, движущегося с постоянной скоростью 5 м/с в борт неподвижного судна.

Конструкция 1 (пр. 12990)

Масса - 414.21 тп

Конструкция3 (пр.12990 2)

Мвёса - 3 79.5] т

Конструкция2 (пр.20071)

Конструкция4 (пр. 12990 3)

Рис. 10 - Рассматриваемые конструкции отсеков

Для объективной оценки ударной прочности конструкции и отслеживания сценариев развития аварийных ситуаций выделялись события разгерметизации межбортового пространства и грузового танка, т.е. разрыва наружной обшивки борта и разрыва внутренней обшивки двойного борта, соответственно. Момент разрыва пластин обшивки у разных типов конструкции происходит на разных стадиях развития прогибов, что связано с особенностями распространения полей пластических деформаций. У малонаборной (пр. 12990/2) и безнаборной (пр. 12990/3) конструкций борта позднее наступает разрушение обшивки, однако при этом меньший объем материала вовлекается в пластическую работу по сравнению с другими типами конструкций. Характер разрушения в поле пластических деформаций при разрыве наружной обшивки борта и внутренней обшивки двойного борта показан на рисунке 11.

Рис. 13 — Моделирование столкновения с учетом внешней динамики

Без учета внешней среды С учетом внешней среды

Рис. 14 - Формы разрушения перекрытия с учетом и без учета внешней среды

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертации выполнены работы по численному моделированию процесса столкновения судов. Достигнуты поставленные цели и решены необходимые задачи.

1. Разработаны расчетные модели на основе метода конечных элементов, позволяющие с высокой точностью определять сопротивление исследуемой конструкции ударному нагружению, выявлять формы деформирования конструкции и определять основные параметры ударопрочности с учетом разрушения. Точность разработанных моделей подтверждена сопоставлением с результатами физического эксперимента.

2. Сформулированы основные положения методики проведения анализа ударной прочности при столкновении судов с использованием численного моделирования на основе разработанных расчетных моделей. Даны

рекомендации по повышению точности расчетов и снижению вычислительных затрат.

3. Проведен анализ области применения наиболее распространенных аналитических моделей, применяемых для оценки параметров ударной прочности при столкновении судов.

4. С помощью построенных моделей метода конечных элементов выполнены расчетные исследования ударопрочное™ различных типов судовых конструкций. Получена обширная информация по параметрам ударопрочное™ традиционных и перспективных типов конструкций нефтеналивных судов. Проведен подробный сравнительный анализ форм деформирования на всех этапах взаимодействия с таранимым телом вплоть до разрушения, а также основных параметров ударопрочности при ударном нагружении.

5. Проведено численное моделирование процесса столкновения с учетом взаимодействия таранящего судна с внешней средой, что позволило смоделировать весь сценарий ударного взаимодействия с учетом внутренней механики деформируемой конструкции и внешней динамики движения судна.

6. Установлено влияние прямого учета внешней среды при численном моделировании процесса столкновения судов на формы деформирования и параметры ударопрочности таранимой конструкции.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Публикация в изданиях Перечня ВАК РФ:

1) Васильев Р.В., Родионов A.A. Оценка критериев разрушения судовых конструкций при численном моделировании столкновения судов // Морские интеллектуальные технологии 2(12) 2011 г. с. 7-16 (авт. 50%).

2) Васильев Р.В., Коршунов В.А., Родионов A.A. Исследование параметров ударной прочности традиционных и перспективных конструкций нефтеналивных судов // Труды Крыловского государственного научного центра. Вып. 75 (359). СПб 2013. с. 139-146 (авт. 30%).

Статьи в материалах конференций:

3) Васильев Р.В., Родионов A.A. Исследование процессов пластического деформирования и разрушения судовых конструкций при столкновениях судов (тезисы) // Конф. по строительной механике корабля памяти академика Ю.А. Шиманского. НТО им. акад. А.Н. Крылова. (20-21 декабря 2011 г. СПб), с. 78 (авт. 50%).

4) Васильев Р.В., Родионов A.A. Сопоставительные исследования ударопрочности судовых перекрытий различных типов (тезисы) // Конф. по строительной механике корабля, посвященная памяти профессора П.Ф. Папковича. ВНТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. (17-18 декабря 2012 г. СПб), с. 110-111 (авт. 50%).

5) Васильев Р.В., Коршунов В.А., Родионов A.A. Исследования параметров ударной прочности традиционных и перспективных конструкций нефтеналивных судов (тезисы) // Конф. по строительной механике корабля, посвященная памяти профессора П.Ф. Папковича. ВНТО судостроителей им. акад. А.Н. Крылова. (17-18 декабря 2012 г. СПб), с. 112-113 (авт. 30%).

6) Васильев Р.В., Родионов A.A. Проблемы верификации расчетных моделей метода конечных элементов для решения задач глубоко пластического деформирования и разрушения конструкции // Материалы научно-практической конференции, посвященной 150-летию со дня рождения академика А.Н.Крылова. (20-21 сентября 2013 г. СПб), с. 40-42 (авт. 50%).

7) Васильев Р.В., Коршунов В.А., Родионов A.A. Использование метода конечных элементов для выявления предельных состояний пластического деформирования стальных конструкций // XXV Международная конференция. Математическое моделирование в механике деформируемых сред и конструкций. Метод граничных и конечных элементов. 2013 г. с. 168-170 (авт. 30%).

8) Васильев Р.В., Коршунов В.А., Родионов A.A. Численное моделирование поведения деформируемой конструкции корпуса при движении судна в условиях волнения // XXV Международная конференция. Математическое моделирование в механике деформируемых сред и конструкций. Метод

, граничных и конечных элементов. 2013 г. с. 116-117 (авт. 30%).

Издательство СПбГМТУ, Лоцманская, 10 Подписано в печать 18 11.2013 Зак 4582. Тир.70. 1,0 печ. л.

Минобрнауки России федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный морской технический университет»

(СПбГМТУ)

На правах рукописи

04201454762

Васильев Роман Викторович

ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ДЕФОРМИРОВАНИЯ КОРПУСНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ СУДОВ

Специальность: 05.08.01. Теория корабля и строительная механика

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д.т.н., профессор Родионов A.A.

Санкт-Петербург 2013г.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................................................................4

ГЛАВА 1 ОБЗОР РАБОТ ПО ПРОБЛЕМАМ УДАРОПРОЧНОСТИ СУДОВЫХ

КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ............................................................................8

ГЛАВА 2 МОДЕЛИ, ОСНОВАННЫЕ НА МЕТОДЕ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ В ИССЛЕДОВАНИИ............................................................................20

2.1 Общие положения.........................................................................................................20

2.2 Применение метода конечных элементов для решения динамических задач........22

2.2.1 Неявные схемы интегрирования уравнений метода конечных элементов.......23

2.2.2 Явные схемы интегрирования уравнений метода конечных элементов..........26

2.3 Моделирование процессов внутренней механики при анализе ударопрочности...29

2.3.1 Свойства материалов в динамических процессах деформирования.................30

2.3.2 Накопление поврежденности при пластических деформациях.........................34

2.3.3 Особенности контактного взаимодействия конструкции при ударе................36

2.3.4 Учет трения при ударном взаимодействии конструкции...................................38

2.3.5 Особенности моделирования разрушения при ударном взаимодействии

судовых конструкций и используемые критерии разрушения...................................38

2.4 Моделирование процессов внешней механики таранящего судна при анализе

ударопрочности...................................................................................................................40

2.4.1 Моделирование поведения внешней среды в моделях метода конечных элементов.............................................................................................................................42

2.4.2 Моделирование контактного взаимодействия конструкции с внешней средой

в моделях метода конечных элементов.........................................................................46

2.5 Выводы по главе 2.........................................................................................................53

ГЛАВА 3 ПРОВЕДЕНИЕ ЧИСЛЕННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ И ПРОВЕРКА РАСЧЕТНЫХ ПРОЦЕДУР НА ОСНОВЕ ЭКСПЕРИМЕНТА..................................................................................................................54

3.1 Основные положения методики проведения численного анализа столкновения судов.....................................................................................................................................54

3.2 Условия проведения эксперимента.............................................................................58

3.3 Численное моделирование процессов физического эксперимента на основе метода конечных элементов............................................................................................................60

3.4 Сравнительный анализ форм деформирования и разрушения в физическом эксперименте и численном моделировании.....................................................................65

3.5 Сравнительный анализ интегральных характеристик ударопрочное™, полученных в ходе физического эксперимента и численного моделирования..................................68

3.6 Выводы по главе 3.........................................................................................................70

ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ НЕКОТОРЫХ АНАЛИТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ ПРИ РЕШЕНИИ ЗАДАЧ АВАРИЙНОЙ ПРОЧНОСТИ СУДОВ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ..................................................................................................................71

4.1 Общие положения.........................................................................................................71

4.2 Методы, основанные на использовании модели гибких нитей................................71

4.2.1 Применение к расчету несущей способности бортового перекрытия..............72

4.2.2 Применение к расчету несущей способности палубного перекрытия..............76

4.3 Инженерные методы, основанные на использовании модели жесткопластической струны на жесткопластическом основании......................................................................78

4.4 Сравнительный анализ решений, полученных по аналитическим зависимостям с решением по методу конечных элементов на основе экспериментальных данных.....80

4.5 Выводы по главе 4.........................................................................................................82

ГЛАВА 5 ЧИСЛЕННЫЙ АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ТИПОВ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ СТОЛКНОВЕНИИ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ УДАРОПРОЧНОСТИ.................................................................................84

5.1 Расчетные исследования ударопрочное™ перекрытий, имеющих продольную

систему набора....................................................................................................................84

5.1.1 Описание расчетных постановок..........................................................................84

5.1.2 Результаты и выводы по выполненным расчетам..............................................88

5.2 Расчетные исследования ударопрочности перекрытий, имеющих поперечную систему набора....................................................................................................................98

5.2.1 Описание расчетных постановок..........................................................................99

5.2.2 Результаты и выводы по выполненным расчетам............................................103

5.3 Расчетные исследования ударопрочности перекрытий в составе фрагмента отсека корпуса...............................................................................................................................111

5.3.1 Описание расчетных постановок........................................................................112

5.3.2 Результаты и выводы по выполненным расчетам............................................114

5.4 Расчетные исследования аварийной прочности трехслойных панелей различных типов...................................................................................................................................126

5.4.1 Решение задачи статического нагружения........................................................130

5.4.2 Решение задачи статической устойчивости......................................................132

5.4.3 Решение динамической задачи удара.................................................................135

5.4.4 Сопоставительные результаты расчетов и выводы..........................................145

5.5 Расчетные исследования ударопрочности традиционных и перспективных конструкций грузовых отсеков танкеров........................................................................148

5.5.1 Особенности исследуемых конструкций грузовых отсеков............................150

5.5.2 Расчетные модели и постановки.........................................................................157

5.5.3 Удар таранящего бульбового носа в бортовое перекрытие.............................161

5.5.4 Удар таранящего форштевня в район соединения палубного и бортового перекрытий....................................................................................................................171

5.5.5 Удар дрейфующих объектов в бортовое перекрытие.......................................174

5.6 Выводы по главе 5.......................................................................................................184

ГЛАВА 6 ЧИСЛЕННОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА СТОЛКНОВЕНИЯ СУДОВ С УЧЕТОМ ВНЕШНЕЙ ДИНАМИКИ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ТАРАНЯЩЕГО СУДНА С ВНЕШНЕЙ СРЕДОЙ........................................................................................................186

6.1 Общие положения.......................................................................................................186

6.2 Постановка задачи исследования..............................................................................186

6.3 Результаты численного моделирования....................................................................190

6.4 Выводы по главе 6.......................................................................................................192

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.....................................................................................................................193

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.....................................................................................................199

ВВЕДЕНИЕ

Морские перевозки остаются одним из наиболее популярных в мире видов транспортировки грузов, ввиду своей сравнительно невысокой стоимости и возможности перевозить большие объемы. Строительная механика корабля изучает особенности поведения элементов конструкции судового корпуса при воздействии внешних нагрузок. Основные принципы этой науки были сформулированы ее основателем великим русским ученым И.Г. Бубновым на рубеже XIX - XX веков. В течении более ста лет крупнейшие ученые исследовали особенности расчетов статического и динамического отклика судовых конструкций, выявление особенностей упругого и пластического деформирования. Основы исследуемого направления были заложены в работах крупнейших ученых, таких как П.Ф. Папкович [63-66], Ю.А. Шиманский, В.В. Новожилов [61, 62]. В настоящее время одним из активно развивающихся направлений науки являются проблемы ударопрочности корпуса грузовых судов, перевозящих опасные токсичные грузы, такие как нефть, сжиженный газ и другие опасные вещества, попадание которых в окружающую среду может привести к катастрофическим последствиям. Удар, приходящийся в борт судна может спровоцировать разгерметизацию грузового отсека. Процессы деформирования корпусных конструкций проходят в условиях глубокого пластического деформирования. Среди работ, посвященных исследованиям в области теории пластичности можно отметить работы H.H. Малинина [51], Д.Д. Ивлева [34, 35], Н.И. Безухова [3], М.И. Ерхова [30, 31], A.A. Гвоздева [21, 22], работы зарубежных авторов Р. Мизеса [52]. Р. Куранта и Д. Гильберта [44, 45], Друкера и Прагера [25-27], проблемы определения прочностного ресурса при достижении предельного состояния конструкции исследовались в работах JI.M. Беленького [4-6], Г.В. Бойцова и О.М. Палия [10, 11], H.H. Волкова и С.Б. Кодацкого [19].

Вопросы столкновения судов можно разделить на проблемы внутренней механики деформирования элементов конструкций при

столкновении и проблемы внешней динамики поведения судна на волнении как абсолютно жесткого тела в течении всего процесса взаимодействия, а также до и после столкновения. Среди работ последнего времени посвященных исследованиям вопросов столкновения судов можно выделить работы Е.М. Апполонова [54, 55], А.Б. Нестерова [54-60], Ю.Ф. Леппа [47-50].

Диссертационная работа в основном посвящена проблемам внутренней механики, однако затрагивает также некоторые вопросы внешней динамики.

Целью настоящей работы является исследование процессов деформирования корпусных конструкций при столкновении судов с помощью современных математических моделей, позволяющих с высокой степенью точности спрогнозировать параметры аварийной прочности. Достижение поставленной цели требует решение следующих задач:

> построение численных моделей поведения конструкций на основе метода конечных элементов;

> проведение оценки достоверности расчетных моделей по результатам физического эксперимента;

> выполнение анализа области применения некоторых аналитических моделей для задач столкновения судов;

> исследовать параметры ударной прочности некоторых традиционных и перспективных типов судовых конструкций с использованием предлагаемых расчетных моделей;

> оценить расширение возможностей численного моделирования процесса столкновения судов за счет учета внешней среды.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения и списка литературы.

Первая глава содержит обзор работ, которые посвящены исследованию различных аспектов проблемы расчетного прогнозирования

процессов, происходящих при аварийном столкновении судов, и определению основных параметров ударопрочности элементов судовых конструкций. Рассмотрены работы авторов, оказавших значительное влияние на совершенствование аналитических и численных процедур вычисления параметров энергоемкости конструкции при аварийных ситуациях.

Вторая глава содержит описание моделей, реализующих процессы механики ударного взаимодействия, развитие пластических деформаций и разрушение ударяемых конструкций, а также описаны методы моделирования внешней среды в расчетах столкновения судов.

В третьей главе формулируются основные положения методики проведения численного моделирования процесса столкновения судов с помощью метода конечных элементов. Разработанные положения касаются особенностей построения конечно-элементной модели, назначения критериев разрушения и мер, направленных на снижение вычислительных затрат. На базе экспериментальных результатов верифицировались предложенные расчетные методики. Сравнивались параметры ударопрочности, а также формы деформирования и разрушения.

В четвертой главе описываются современные аналитические модели, используемые в исследовании. Было получено решение экспериментальной задачи по аналитическим моделям. Результаты полученные аналитическими методами сравнивались с решением численного моделирования.

Четвертая глава посвящена расчетным исследованиям различных судовых конструкций. Сравниваются результаты определения основных параметров ударопрочности на базе расчетных методик, описанных во второй главе. Выявлены характерные особенности пластического деформирования при ударном взаимодействии вплоть до разрушения. Проведен численный анализ столкновения бульбообразного носа таранящего судна с отсеком танкера с двойным бортом, имеющего

традиционную систему набора. Также были рассмотрены случаи некоторых перспективных противоударных конструкций отсека танкера. Рассмотрены случаи столкновения с дрейфующими объектами. Рассмотрены различные варианты конструкций сэндвич-панелей с точки зрения ударопрочности.

В шестой главе описывается моделирование столкновения с учетом взаимодействия конструкции с внешней средой. С помощью численных моделей имитируются движение судна на волнении и его столкновение с фрагментом таранимого судна вплоть до разрушения конструкции.

ГЛАВА 1 ОБЗОР РАБОТ ПО ПРОБЛЕМАМ УДАРОПРОЧНОСТИ СУДОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ ПРИ

СТОЛКНОВЕНИИ

Одним из наиболее опасных видов аварийной ситуации является столкновение с таранящим судном, которое может произойти в результате навигационных ошибок. Несмотря на не самые высокие скорости в момент столкновения освобождается очень большое количество кинетической энергии, которой обладает таранящее судно. Эта энергия идет на деформирование обоих судов. Различные конструктивные решения для танкеров направлены на то, чтобы вся энергия столкновения шла на пластическую работу материала, и при этом не произошло разгерметизации отсека, в котором находится опасный груз. При этом особое внимание уделяется конструкциям борта и днища, так как именно эти районы подвержены опасности внешнего ударного нагружения. Помимо рассмотрения традиционных систем набора перекрытий, некоторыми авторами ведутся исследования по эффективному использованию межбортового пространства в целях повышения ударопрочности отсека. В частности рассматривалась возможность использования сэндвич-панелей.

Наар и др. [107] исследовали возможность использования сэндвич панелей, в среднем слое которых вводятся подкрепляющие полосы по всей толщине.

Тёрнквист и Симонсен [115] исследовали возможность использования Х-образных сэндвич-панелей, их способность поглощения энергии без образования трещины.

Контер и др. [99] исследовали возможность использования сэндвич-панелей с У-образными подкреплениями в среднем слое.

Волков и Кодацкий [19] в своей работе приводят типы конструкции атомных судов перевозящих опасные грузы.

В работе Нестерова [59] говорится об использовании дополнительных защитных конструкций за счет развала борта в надводной части.

Известно, что при столкновении наибольшую опасность представляет таранящее судно с бульбообразным носом. Так как достаточно жесткий бульб даже при небольших скоростях способен пробить отсек ударяемого судна ниже ватерлинии, что автоматически приведет к затоплению судна и выбросу в океан опасного груза. Конструктивные меры, направленные на снижение последствий ударного столкновения могут быть применены к конструкции носового бульба.

В настоящее время существуют различные подходы к оценке последствий возможного аварийного столкновения для судов, перевозящих опасные грузы. Оценить, насколько та или иная конструкция хорошо сопротивляется ударному нагружению можно с помощью существующих расчетных методов. Экспериментальные исследования осложняются тем, что полномасштабные эксперименты очень дорого стоят, а на упрощенных моделях нельзя увидеть все особенности поведения ударяемого судна. Тем не менее, некоторые упрощенные эксперименты проводятся с целью выявления особенностей поведения материала при больших пластических деформаций, предшествующих разрушению.

С начала 1960-х годов было выполнено большое количество различных экспериментов, направленных на изучение процессов столкновения судов. Целью этих исследований было проектирование безопасной конструкции судов с защитой ядерного реактора при возможном аварийном столкновении.

В период 1967-1976 в Германии было проведено 12 испытаний моделей судов. Масштаб моделей варьировался от 1:12 до 1:7,5. Этими исследованиями занимался Войсин, который описал их в 1979 году [118]. Испытательная установка состояла из таранящего носа, съезжающего по

наклонной рельсовой дорожке и неподвижного ударяемого фрагмента корпуса. В своих работах Войсин разработал усиленную борт